论文部分内容阅读
[摘要]分析了在热应力作用下双层管胀接复合强度的变化规律，研究表明双层管胀接复合强度经热应力循环后，根据材料性能不同，残余接触压力的变化也不同，且存在极限工作温度；并得到了实验验证。
[关键词]热应力双层管 残余接触压力 胀接复合
一、引言
胀接复合是双层管制造的主要方法，其胀合工艺为，先将两管套装在一起，然后对内层管施加胀接压力，随着压力的增加，内层管由弹性变形状态进入塑性变形状态，并贴紧外管，当管内压力达到一定值时，外层管发生弹性变形，两管紧密贴合在一起，胀接压力卸载后，内外管在残余接触压力作用下，紧密的结合在一起。该工艺简单，成形效率高等优点，目前在国内外都得到了广泛的应用，但是经胀接复合得到的双层管管层之间的结合方式为机械结合，而非冶金结合。因此，研究在热应力作用下双层管结合强度变化特性是一个很重要的问题。
二、热应力作用下内层管应力状态的变化
图1为双层管胀接复合内层管应力状态变化原理图。σsi为内层管材料的屈服强度，σθio为内层管外壁的周向接触应力，σrio为内层管外壁的径向接触应力。假定内层管为理想弹塑性材料，并遵守屈雷斯卡屈服准则。根据胀接复合过程，接触前内层管应力状态变化将由O点开始，沿着OA加载线（内外管接触前）变化，直至内外管产生接触应力的A点。接触后内外管共同变形，内层管的应力状态沿接触后的加载线AB由A点向B点运动，最终停留在G点；卸载后，内层管将沿弹性卸载线 GH产生弹性回复，直线GH的斜率为σrioσsi=Rit，G点位置与胀管压力及外层管的刚度有关。连接O点与H点形成直线OH，延长直线OH交CD于K点。它表示从直线AB上任一点卸载，残余接触应力都将落在直线OK上，其斜率为Ri。
在热应力的作用下，随着温度的升高，内外层管之间的接触应力将增大。内层管的应力状态由H点开始沿着OH向K点移动。如果温差足够大，将使内层管的应力达到K点，内层管开始发生反向屈服；此后温差继续增大，内层管将产生塑性压缩变形，应力状态仍然停留在K点，即内层管外壁的径向应力σrio保持不变；在内层管未发生反向屈服情况下回复到原来的室温状态，内层管的应力状态将沿OH线由K点向H点移动并回到H点，应力状态为弹性卸载过程；如果温差有足够大，内层管已经反向屈服，尽管应力状态仍然停留在H点，但是内层管发生较大的反向屈服变形，回复到室温状态时内层管的应力状态将沿OH线超过H点向O点移动,可能到达O点。
三、热应力作用下双层管应力应变分析
设内外层管之间形成的热接触应力为Ptc（简称热应力）。则热应力使内外层管引起弹性应变，所以内外层管由热载荷引起总的周向应变是由热应变和热应力引起的周向弹性应变之和，即：。设内层管外壁的周向弹性应变为，外层管内壁周向弹性应变为；由于轴向应力与径向应力相比很小，因此忽略轴向应力的影响。由于变形过程中内外层管之间始终接触，由于外层管的内径不可能小于内层管的外径，两者之间只能变形协调在一起，因此由热载荷引起的总的周向应变相等（如图2），变形协调方程为：
由于内层管为薄壁管<受力状况见图3（a）>，由中径公式得由热应力Ptrc引起的内层管外壁的弹性应力为：
式中：Ri为外层管内半径，t为内层管壁厚
由广义胡克定律得，由热应力Ptrc引起的内层管外壁的周向应变为：
式中：Ei,μi分别为内层管弹性模量和泊松比
由热应力Ptrc引起的外层管内壁<受力状况见图3（b）>的弹性应力为：
式中：K为外层管外径与内径之比，K=R0Ri；
由热应力Ptrc引起的外层管内壁的周向应变为：
式中：E0,μ0分别为内层管弹性模量和泊松比
由式（1）（3）（5）可得：
式中ΔT：为温度的增加量
假设E0≈Ei=E，μ0≈μi=μ，则可得简化公式为：
残余接触压力Prc和热应力Ptrc共同作用下内层管内壁的应力状态，由叠加原理可得：
式中：Prc为内外层管间的残余接触压力
要使内层管不发生反向屈服，则有：
由式得
反向屈服温度为：
式中为室温，为内层管反向屈服强度。
四、热应力作用下，双层管残余接触压力变化的几种情况
根据内层管与外层管的热膨胀系数不同，将热应力对双金属复合管的残余接触压力的影响可以分为以下三种情况：
1．
由于内、外层管的热膨胀系数相同，则由温度引起的内外层管热应变量相同，所以热应力不改变残余接触压力的大小。
2．(αi-αo)ΔT＞0
相当于αi＞αo,ΔT＞0或αi＜αo,ΔT＜0两种情况，内、外层管之间的接触压力开始随温度变化｜ΔT｜的增大而增大，处于热应力加载状态。这时内、外层管之间的接触压力经历温度循环变化后的最终残余接触压力的变化有可能有两种结果：接触压力增大，但不至使内层管发生反向屈服，热力卸载后接触压力将按原途径返回，残余接触压力不改变；另一种情况是超过临界温度T0，内层管发生反向屈服，接触压力保持在发生反向屈服时的最大值上，内层管将随温度变化｜ΔT｜的增大不断产生塑性流动，热力卸载后接触压力从反向屈服时的最大值迅速减小，有可能最终残余接触压力为0，此时内外管将分层。
3．(αi-αoΔT＜0（相当于αi＞αo，ΔT＜0或αi＜αo，ΔT＞0两种情况）
内、外层管之间的接触压力开始随温度变化｜ΔT｜的增大而减小，即内、外层管之间的接触压力经历温度循环变化后的残余接触压力将减小；当温度变化｜ΔT｜较大时，残余接触压力可能为0，此时内外层管也可能分层。
五、实验分析
本文以内衬不锈钢复合钢管为实验，实验所用的复合管结构尺寸如图4，内层管材质为奥氏体不锈钢，外层管材质为20#钢。材料性能见表1，将K=DoDi=4841，σ-si=231MPa，Prc=0.29MPa,E=1.96×105MPa,t=0.5mm,Ri=20.5mm,Ts=20℃代入式（11）得，理论反向屈服温度为：T0=237.6℃
在相同的胀管压力下得到具有等同残余接触压力的双层管试件，将试件分为7组，每组有3个试件；取出其中一组试件在室温状态下进行拉脱力实验，对其轴向施加拉力，拉伸速率为3mm/min，测定拉脱力F，取其平均值。其余6组试件放置于加热炉中，对试件进行加热，当温度升高到230℃时，取出其中一组试件放置于空气中冷却，冷却到室温状态时进行同样的拉脱力实验；此后每升高10℃记录下当时的炉温并取出一组试件。拉脱力F与残余接触压力之间的关系为：
为摩擦系数，本实验取μ=0.25，H为外层管与内层管的有效结合长度，H=20mm。
表2在经过不同温度加热后复合管残余接触压力比较
从表2的结果可以看出，在一定的残余接触压力下，当温度升高到一定的状态时再冷却到室温状态时双层管的内外管之间的残余接触压力逐渐减小，实验所得的反向屈服温度在250℃~260℃之间，因此理论计算得到的反向屈服温度与实测有一定的误差，但是其实验反向屈服温度与理论计算值基本上比较相接近，以及实验所得的发展趋势与理论分析是一致的，当温度超过反向屈服温度后，随着温度的升高后冷却，其残余接触压力逐渐降低。
六、结语
经过胀接复合得到的双层管以机械结合的方式组合在一起，热应力对其结合强度有影响，根据内外管材料性能的不同，存在着极限使用温度。当热膨胀系数内层管大于外层管时，存在着最高工作温度；相反，则存在着最低工作温度。实验分析表明当温度超过反向屈服温度后，随着温度的升高后再冷却至室温，其残余接触压力将逐渐降低；当温度再升高至一定状态时，内外管将分层松脱。
参考文献：
[1]赵卫民．金属复合管生产技术综述：焊管[J]．2003，26（3）：10－14．
[2]徐鸿．胀接接头弹塑性分析和在换热器上的应用：压力容器[J]．1986，3（5）：39．
[3]曹桂荣等．金属塑性成形力学原理[M]．北京：北京工业大学出版社，1999．
[4]黄载生等．弹性力学与应用[M]．浙江：浙江大学出版社，1995．
[5]王志文．化工容器设计[M]．化学工业出版社，1998．
[6]超高压容器设计[J].化工设备设计全书．上海科学技术出版社，1990．
[7]CJ/T 192—2004，中华人民共和国城镇建设行业标准[S]．
（作者系浙江工业大学在职中职硕士，单位为浙江瑞安职业中专学校）
[关键词]热应力双层管 残余接触压力 胀接复合
一、引言
胀接复合是双层管制造的主要方法，其胀合工艺为，先将两管套装在一起，然后对内层管施加胀接压力，随着压力的增加，内层管由弹性变形状态进入塑性变形状态，并贴紧外管，当管内压力达到一定值时，外层管发生弹性变形，两管紧密贴合在一起，胀接压力卸载后，内外管在残余接触压力作用下，紧密的结合在一起。该工艺简单，成形效率高等优点，目前在国内外都得到了广泛的应用，但是经胀接复合得到的双层管管层之间的结合方式为机械结合，而非冶金结合。因此，研究在热应力作用下双层管结合强度变化特性是一个很重要的问题。
二、热应力作用下内层管应力状态的变化
图1为双层管胀接复合内层管应力状态变化原理图。σsi为内层管材料的屈服强度，σθio为内层管外壁的周向接触应力，σrio为内层管外壁的径向接触应力。假定内层管为理想弹塑性材料，并遵守屈雷斯卡屈服准则。根据胀接复合过程，接触前内层管应力状态变化将由O点开始，沿着OA加载线（内外管接触前）变化，直至内外管产生接触应力的A点。接触后内外管共同变形，内层管的应力状态沿接触后的加载线AB由A点向B点运动，最终停留在G点；卸载后，内层管将沿弹性卸载线 GH产生弹性回复，直线GH的斜率为σrioσsi=Rit，G点位置与胀管压力及外层管的刚度有关。连接O点与H点形成直线OH，延长直线OH交CD于K点。它表示从直线AB上任一点卸载，残余接触应力都将落在直线OK上，其斜率为Ri。
在热应力的作用下，随着温度的升高，内外层管之间的接触应力将增大。内层管的应力状态由H点开始沿着OH向K点移动。如果温差足够大，将使内层管的应力达到K点，内层管开始发生反向屈服；此后温差继续增大，内层管将产生塑性压缩变形，应力状态仍然停留在K点，即内层管外壁的径向应力σrio保持不变；在内层管未发生反向屈服情况下回复到原来的室温状态，内层管的应力状态将沿OH线由K点向H点移动并回到H点，应力状态为弹性卸载过程；如果温差有足够大，内层管已经反向屈服，尽管应力状态仍然停留在H点，但是内层管发生较大的反向屈服变形，回复到室温状态时内层管的应力状态将沿OH线超过H点向O点移动,可能到达O点。
三、热应力作用下双层管应力应变分析
设内外层管之间形成的热接触应力为Ptc（简称热应力）。则热应力使内外层管引起弹性应变，所以内外层管由热载荷引起总的周向应变是由热应变和热应力引起的周向弹性应变之和，即：。设内层管外壁的周向弹性应变为，外层管内壁周向弹性应变为；由于轴向应力与径向应力相比很小，因此忽略轴向应力的影响。由于变形过程中内外层管之间始终接触，由于外层管的内径不可能小于内层管的外径，两者之间只能变形协调在一起，因此由热载荷引起的总的周向应变相等（如图2），变形协调方程为：
由于内层管为薄壁管<受力状况见图3（a）>，由中径公式得由热应力Ptrc引起的内层管外壁的弹性应力为：
式中：Ri为外层管内半径，t为内层管壁厚
由广义胡克定律得，由热应力Ptrc引起的内层管外壁的周向应变为：
式中：Ei,μi分别为内层管弹性模量和泊松比
由热应力Ptrc引起的外层管内壁<受力状况见图3（b）>的弹性应力为：
式中：K为外层管外径与内径之比，K=R0Ri；
由热应力Ptrc引起的外层管内壁的周向应变为：
式中：E0,μ0分别为内层管弹性模量和泊松比
由式（1）（3）（5）可得：
式中ΔT：为温度的增加量
假设E0≈Ei=E，μ0≈μi=μ，则可得简化公式为：
残余接触压力Prc和热应力Ptrc共同作用下内层管内壁的应力状态，由叠加原理可得：
式中：Prc为内外层管间的残余接触压力
要使内层管不发生反向屈服，则有：
由式得
反向屈服温度为：
式中为室温，为内层管反向屈服强度。
四、热应力作用下，双层管残余接触压力变化的几种情况
根据内层管与外层管的热膨胀系数不同，将热应力对双金属复合管的残余接触压力的影响可以分为以下三种情况：
1．
由于内、外层管的热膨胀系数相同，则由温度引起的内外层管热应变量相同，所以热应力不改变残余接触压力的大小。
2．(αi-αo)ΔT＞0
相当于αi＞αo,ΔT＞0或αi＜αo,ΔT＜0两种情况，内、外层管之间的接触压力开始随温度变化｜ΔT｜的增大而增大，处于热应力加载状态。这时内、外层管之间的接触压力经历温度循环变化后的最终残余接触压力的变化有可能有两种结果：接触压力增大，但不至使内层管发生反向屈服，热力卸载后接触压力将按原途径返回，残余接触压力不改变；另一种情况是超过临界温度T0，内层管发生反向屈服，接触压力保持在发生反向屈服时的最大值上，内层管将随温度变化｜ΔT｜的增大不断产生塑性流动，热力卸载后接触压力从反向屈服时的最大值迅速减小，有可能最终残余接触压力为0，此时内外管将分层。
3．(αi-αoΔT＜0（相当于αi＞αo，ΔT＜0或αi＜αo，ΔT＞0两种情况）
内、外层管之间的接触压力开始随温度变化｜ΔT｜的增大而减小，即内、外层管之间的接触压力经历温度循环变化后的残余接触压力将减小；当温度变化｜ΔT｜较大时，残余接触压力可能为0，此时内外层管也可能分层。
五、实验分析
本文以内衬不锈钢复合钢管为实验，实验所用的复合管结构尺寸如图4，内层管材质为奥氏体不锈钢，外层管材质为20#钢。材料性能见表1，将K=DoDi=4841，σ-si=231MPa，Prc=0.29MPa,E=1.96×105MPa,t=0.5mm,Ri=20.5mm,Ts=20℃代入式（11）得，理论反向屈服温度为：T0=237.6℃
在相同的胀管压力下得到具有等同残余接触压力的双层管试件，将试件分为7组，每组有3个试件；取出其中一组试件在室温状态下进行拉脱力实验，对其轴向施加拉力，拉伸速率为3mm/min，测定拉脱力F，取其平均值。其余6组试件放置于加热炉中，对试件进行加热，当温度升高到230℃时，取出其中一组试件放置于空气中冷却，冷却到室温状态时进行同样的拉脱力实验；此后每升高10℃记录下当时的炉温并取出一组试件。拉脱力F与残余接触压力之间的关系为：
为摩擦系数，本实验取μ=0.25，H为外层管与内层管的有效结合长度，H=20mm。
表2在经过不同温度加热后复合管残余接触压力比较
从表2的结果可以看出，在一定的残余接触压力下，当温度升高到一定的状态时再冷却到室温状态时双层管的内外管之间的残余接触压力逐渐减小，实验所得的反向屈服温度在250℃~260℃之间，因此理论计算得到的反向屈服温度与实测有一定的误差，但是其实验反向屈服温度与理论计算值基本上比较相接近，以及实验所得的发展趋势与理论分析是一致的，当温度超过反向屈服温度后，随着温度的升高后冷却，其残余接触压力逐渐降低。
六、结语
经过胀接复合得到的双层管以机械结合的方式组合在一起，热应力对其结合强度有影响，根据内外管材料性能的不同，存在着极限使用温度。当热膨胀系数内层管大于外层管时，存在着最高工作温度；相反，则存在着最低工作温度。实验分析表明当温度超过反向屈服温度后，随着温度的升高后再冷却至室温，其残余接触压力将逐渐降低；当温度再升高至一定状态时，内外管将分层松脱。
参考文献：
[1]赵卫民．金属复合管生产技术综述：焊管[J]．2003，26（3）：10－14．
[2]徐鸿．胀接接头弹塑性分析和在换热器上的应用：压力容器[J]．1986，3（5）：39．
[3]曹桂荣等．金属塑性成形力学原理[M]．北京：北京工业大学出版社，1999．
[4]黄载生等．弹性力学与应用[M]．浙江：浙江大学出版社，1995．
[5]王志文．化工容器设计[M]．化学工业出版社，1998．
[6]超高压容器设计[J].化工设备设计全书．上海科学技术出版社，1990．
[7]CJ/T 192—2004，中华人民共和国城镇建设行业标准[S]．
（作者系浙江工业大学在职中职硕士，单位为浙江瑞安职业中专学校）